文/朱巖，陳士偉，李躍剛，林德峰·中車齊齊哈爾車輛有限公司

支柱是鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件，影響著鐵路貨車的運(yùn)行品質(zhì)和行車安全。利用Deform-3D模擬軟件對(duì)支柱進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)成形過(guò)程的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)及打擊力進(jìn)行了分析，揭示了支柱鍛造過(guò)程的成形規(guī)律，成形效果良好，驗(yàn)證了鍛造方案、模具設(shè)計(jì)及設(shè)備選型的合理性，最終應(yīng)用到了實(shí)際生產(chǎn)中。

支柱是鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件，安裝于制動(dòng)梁中間位置(圖1)，與制動(dòng)杠桿和游動(dòng)杠桿相連，起到傳遞制動(dòng)力和牽引力的作用，直接影響著鐵路貨車的運(yùn)行品質(zhì)和行車安全。支柱成品如圖2所示，材質(zhì)為Q235A。由于支柱外形尺寸較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的試錯(cuò)法，會(huì)增加制造成本，延長(zhǎng)試制周期，因此采用有限元分析技術(shù)揭示支柱的成形規(guī)律，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)是十分必要的。

模擬方案制定

根據(jù)我公司現(xiàn)有設(shè)備，鍛壓設(shè)備選擇2500t高能螺旋壓力機(jī)，采用中頻感應(yīng)爐進(jìn)行加熱，經(jīng)過(guò)工藝分析，支柱毛坯設(shè)計(jì)如圖3所示，選用φ70mm的圓鋼作為原材料，坯料加熱溫度為1150℃～1200℃，模具預(yù)熱溫度為150℃～200℃，加熱將坯料放置在終鍛模中心，穩(wěn)定后進(jìn)行終鍛。

鍛造模擬過(guò)程分析

前處理模擬參數(shù)設(shè)定

坯料網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為76521個(gè)；上模速度設(shè)為300mm/s，每步步進(jìn)0.75mm，庫(kù)倫摩擦系數(shù)設(shè)定為0.3；選用性能近似Q235A材質(zhì)的AISI-1025鋼作為替代材料進(jìn)行模擬，考慮到坯料加熱后搬運(yùn)過(guò)程中的熱損失，設(shè)置坯料鍛造前溫度為1150℃，上下模具溫度為150℃，設(shè)置模擬過(guò)程中環(huán)境溫度為20℃，與空氣對(duì)流換熱系數(shù)為0.02N/smm℃，坯料與模具熱傳導(dǎo)系數(shù)為11N/smm℃。

模擬前初始狀態(tài)

采用Creo2.0軟件進(jìn)行支柱模具三維建模，如圖4所示，為了使坯料放置時(shí)更加平穩(wěn)，將坯料斜置于支柱尾部型腔中進(jìn)行定位，坯料與模具的初始位置如圖5所示。

變形過(guò)程分析

當(dāng)上模接觸到坯料并向下擠壓時(shí)，前后兩側(cè)多余金屬被擠壓出模具型腔，此時(shí)支柱頭部開始成形，如圖6(a)所示；被擠出的多余金屬迅速冷卻，變形抗力增加，在橋部形成阻力帶，有利于金屬填充深處型腔，此時(shí)支柱頭部逐漸成形如圖6(b)所示，隨著上模繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，支柱整體逐漸擠壓成形，支柱中間部位最晚參與變形，部分金屬開始流向模具飛邊橋部,如圖6(c)所示，當(dāng)變形過(guò)程運(yùn)行到100步時(shí)，高度方向上的多余金屬沿橋部流入倉(cāng)部，金屬充滿模樘，無(wú)缺肉位置，此時(shí)變形完成,如圖6(d)所示。

溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)分析

對(duì)坯料成形過(guò)程的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，在整個(gè)終鍛過(guò)程中坯料與模具、環(huán)境進(jìn)行熱交換。圖7為坯料終鍛完成時(shí)的溫度場(chǎng)分布，坯料初始溫度為1150℃，從模擬結(jié)果可以看出，坯料心部溫度基本未發(fā)生變化，而與型腔接觸的外表面溫度稍有下降，但仍保持在1050℃左右，頭部溫度下降最大；由圖8可以看出，頭部也是等效應(yīng)力最大的位置，等效應(yīng)力值達(dá)到180MPa，反映出此處是抗力最大的位置，整體等效應(yīng)力分布較為均勻；由圖9等效應(yīng)變分布可以看出，坯料成形后期，頭部的應(yīng)變較大，金屬變形最劇烈。

打擊力分析

圖10為支柱成形過(guò)程中所需的打擊力-位移曲線，支柱成形過(guò)程中所需的最大成形力為2360t，2500t螺旋壓力機(jī)可以滿足工藝需求。

生產(chǎn)驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)支柱成形過(guò)程進(jìn)行模擬，驗(yàn)證了鍛造方案、毛坯設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)以及鍛造設(shè)備選型的合理性，并且該方案已經(jīng)運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中，支柱毛坯產(chǎn)品如圖11所示，實(shí)際生產(chǎn)中，支柱各位置充填飽滿，棱角清晰，飛邊分布均勻。

結(jié)論

利用Deform-3D模擬軟件對(duì)支柱的成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)其成形過(guò)程、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)及打擊力進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

⑴支柱在成形過(guò)程中，整體溫度下降較小，頭部的變形抗力最大，變形最劇烈，各位置充型良好，沒(méi)有缺肉等缺陷，支柱成形過(guò)程中所需的最大成形力為2360t。

⑵通過(guò)模擬分析，揭示了支柱鍛造過(guò)程的成形規(guī)律，驗(yàn)證了鍛造方案、模具設(shè)計(jì)及設(shè)備選型的合理性，為實(shí)際生產(chǎn)提供了準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，最終生產(chǎn)出合格的支柱產(chǎn)品。